(57)【要約】    【課題】  良好な長期安定性が得られるパルス管冷凍機を提供すること。    【解決手段】  圧縮機１９の吐出口と吸入口が切換弁１２で切換連通される蓄冷器側通路１４に、第１蓄冷器１と、第１パルス管３と、バッファタンク２５を順次接続する。蓄冷器側通路１４とパルス管３の基端部とを、第１通路２１で連通する。第１通路２１のパルス管３側の端部の内側に、第１パルス管３とバッファタンク２５とを接続する第２通路２３の端部を配置すると共に、この第１通路２１の端部と第２通路２３の端部とを平行にする。第１通路２１からの作動ガスと、第２通路２３からの作動ガスが合流する際の乱れを大幅に低減できるので、長期に亘る運転により、作動ガスの合流部における乱れのパターンが変化しても、合流部に流入する第１通路２１および第２通路２３からの流量は殆ど変化しない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力源（１９）に順次接続された蓄冷器（１，２）、パルス管（３，４）およびバッファタンク（２５）と、
上記圧力源（１９）と蓄冷器（１）とを接続する接続管（１４）から延びる第１通路（２１）と、
上記パルス管（３）とバッファタンク（２５）とを接続する第２通路（２３）と、
上記第１通路（２１）からの流体と、上記第２通路（２３）からの流体とを、略平行の流れをなすように合流させる合流部（２１１，２３２）と
を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、
上記合流部は、上記第２通路の先端部分（２３２）を、上記第１通路（２１）の内側に配置して形成したことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
請求項１に記載のパルス管冷凍機において、
上記合流部は、上記第１通路の先端部分を、上記第２通路の内側に配置して形成したことを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項４】
請求項１または２に記載のパルス管冷凍機において、
上記バッファタンク（２５）を複数個備え、
上記複数個のバッファタンク（２５）に各々連通する複数個の上記第２通路（２３）を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス管冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルス管冷凍機としては、圧縮機に、蓄冷器、パルス管およびバッファタンクを順次接続し、上記圧縮機と蓄冷器とを接続する接続管から延びる第１通路を、上記パルス管とバッファタンクとを接続する第２通路に接続したものがある。上記第１通路と第２通路に各々絞りを設け、上記第２通路の絞りよりもパルス管側に、第１通路を、上記第２通路に対して略直角をなすように接続している。
【０００３】
上記従来のパルス管冷凍機は、上記圧縮機で生成した流体のパルス状の圧力変動を、上記蓄冷器、パルス管およびバッファタンクに順次伝達すると共に、上記第１通路から第２通路を経由してパルス管に伝達して、このパルス管において、圧力変動の位相に対して流体の変位の位相を効果的にずらせるようにしている。
【０００４】
しかしながら、上記従来のパルス管冷凍機は、上記第２通路を流れる流体の流れに対して、上記第１通路からの流体が略直角に合流するので、この合流部の流れに比較的大きい乱れが生じる。この流れの乱れは、上記パルス管冷凍機の総運転時間が数百時間程度を越えた場合、乱れのパターンが変化して、上記合流部における流体の圧力が変化する場合がある。この場合、上記合流部に流入する第１通路および第２通路からの流体の流量が変化する。その結果、上記パルス管における流体の圧力変動の位相と流体の変位の位相との差が適正値からずれて、パルス管冷凍機の冷凍能力が低下するという問題がある。つまり、上記パルス管冷凍機は、良好な長期安定性を得難いという問題がある。
【０００５】
そこで、従来、上記第１通路を第２通路に対して鋭角に接続することにより、この第１通路からの流体が第２通路の流体に合流する際の乱れを軽減するようにしたパルス管冷凍機が提案されている（実公平７−３４２９６号公報：特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、このパルス管冷凍機は、上記第１通路を第２通路に対して鋭角に接続させる加工が比較的難しくて、製造コストが比較的高いという問題がある。また、上記第２通路に対して第１通路が鋭角をなすので、この第１通路の流体は、第２通路の流体の流線に対して上記鋭角をなして合流するから、この合流部の乱れを大幅に減少することができない。したがって、冷凍能力の低下を十分に防止することができないという問題がある。
【特許文献１】実公平７−３４２９６号公報（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、第１通路と第２通路の流体の合流部における乱れを効果的に低減して、良好な長期安定性が得られるパルス管冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のパルス管冷凍機は、圧力源に順次接続された蓄冷器、パルス管およびバッファタンクと、
上記圧力源と蓄冷器とを接続する接続管から延びる第１通路と、
上記パルス管とバッファタンクとを接続する第２通路と、
上記第１通路からの流体と、上記第２通路からの流体とを、略平行の流れをなすように合流させる合流部と
を備えることを特徴としている。
【０００９】
上記構成によれば、上記圧力源による流体の圧力変動が、蓄冷器、パルス管およびバッファタンクに順次伝達される。また、上記圧力源による流体の圧力変動が、上記第１通路および合流部を経由して、上記パルス管に伝達される。これにより、上記パルス管において、流体の圧力変動の位相と流体の変位の位相との間に適正な差が生じて、このパルス管の上記蓄冷器に接続された側の端部に、寒冷が生成される。
【００１０】
ここにおいて、上記合流部では、上記第１通路からの流体と、上記第２通路からの流体とが、略平行の流れをなすように合流されるので、この合流部での流体の乱れは、従来よりも大幅に低減される。したがって、このパルス管冷凍機が長期に亘って運転されて上記合流部での乱れのパターンが変化した場合でも、この変化による流体圧力の変化量は、従来よりも少ない。したがって、上記合流部に流入する上記第１通路からの流体流量と、上記第２通路からの流体流量は、従来よりも変化が少ない。その結果、上記流体の圧力変動の位相と流体変位の位相との差は、適正値からのずれが減少されるので、このパルス管冷凍機は冷凍能力の低下が防止され、良好な長期安定性が得られる。
【００１１】
また、上記合流部は、例えば、上記第１通路の先端部分と、上記第２通路の先端部分とを略平行に配置すること等により形成できるので、従来のように第１通路の先端部分を第２通路に対して鋭角に接続するよりも、容易に形成できる。したがって、このパルス管冷凍機は、従来よりも容易に製造できて、製造コストを削減できる。
【００１２】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記合流部は、上記第２通路の先端部分を、上記第１通路の内側に配置して形成したことを特徴としている。
【００１３】
上記実施形態によれば、上記合流部は、上記第２通路の先端部分を、上記第１通路の内側に配置しているので、この第１通路を流れる流体の内側に、上記第２通路からの流体が流入する。したがって、上記合流部における流体の乱れが効果的に低減される。
【００１４】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記合流部は、上記第１通路の先端部分を、上記第２通路の内側に配置して形成したことを特徴としている。
【００１５】
上記実施形態によれば、上記合流部は、上記第１通路の先端部分を、上記第２通路の内側に配置しているので、この第２通路を流れる流体の内側に、上記第１通路からの流体が流入する。したがって、上記合流部における流体の乱れが効果的に低減される。
【００１６】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記バッファタンクを複数個備え、
上記複数個のバッファタンクに各々連通する複数個の上記第２通路を備えることを特徴としている。
【００１７】
上記実施形態によれば、上記複数個のバッファタンクからの流体が、上記複数個の第２通路を各々経由して、上記合流部において、上記第１通路の流体に、従来よりも大幅に小さい乱れをなして合流する。したがって、上記複数個のバッファタンクにより流体の圧力変動の位相と変位の位相との差が効果的に調節されて良好な冷凍能力が得られると共に、この冷凍能力が長期に亘って安定する。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明のパルス管冷凍機は、圧力源に順次接続された蓄冷器、パルス管およびバッファタンクと、上記圧力源と蓄冷器との接続管から延びる第１通路と、上記パルス管とバッファタンクとを接続する第２通路と、上記第１通路からの流体と、上記第２通路からの流体とを、略平行の流れをなすように合流させる合流部とを備えるので、この合流部での流体の乱れを、従来よりも大幅に低減でき、したがって、上記乱れのパターンの変化による合流部における流体圧力の変化量を、従来よりも低減できる。したがって、上記合流部に流入する第１通路および第２通路からの流体流量の変化量を従来よりも少なくでき、その結果、上記流体の圧力変動の位相と流体変位の位相との差について、適正値からのずれを比較的少なくできるので、冷凍能力の低下が防止できて、良好な長期安定性を得ることができる。
【００１９】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記合流部は、上記第２通路の先端部分を、上記第１通路の内側に配置して形成したので、この合流部における流体の乱れを効果的に低減できる。
【００２０】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記合流部は、上記第１通路の先端部分を、上記第２通路の内側に配置して形成したので、この合流部における流体の乱れを効果的に低減できる。
【００２１】
一実施形態のパルス管冷凍機は、上記バッファタンクを複数個備え、上記複数個のバッファタンクに各々連通する複数個の上記第２通路を備えるので、上記複数個のバッファタンクからの流体を、上記複数個の第２通路を経由して、上記合流部において、上記第１通路の流体に従来よりも大幅に小さい乱れをなして合流させることができるので、良好な冷凍能力が安定して得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態のパルス管冷凍機を示す図である。
【００２４】
このパルス管冷凍機は、第１蓄冷器１と、この第１蓄冷器１の先端部に連通して直列に設けられた第２蓄冷器２と、先端が連通管５によって第１蓄冷器１の先端部に連通された第１パルス管３と、先端が連通管６によって第２蓄冷器２の先端部に連通された第２パルス管４とを有している。上記第１パルス管３は、パルス管シリンダ２８と、このパルス管シリンダ３２の先端部に設けられた冷却ステージ２８とを有する。また、上記第２パルス管４は、パルス管シリンダ３３と、このパルス管シリンダ３３の先端部に設けられた冷却ステージ３０とを有する。そして、上記第１蓄冷器１，第１パルス管３および第２パルス管４の基端部は、バルブ室７の端面に取り付けられたフランジ８に挿入されて固定されており、バルブ室７はモータ室９に固定されている。第１蓄冷器１内にはメッシュ状の蓄冷材１０（一部のみ図示）が積層されて充填され、第２蓄冷器２内には球状の蓄冷材１１（一部のみ図示）が充填されている。
【００２５】
上記バルブ室７には、ロータとステータとで構成される切換弁１２が設けられており、モータ室９に設けられた駆動モータ１３によって切換弁１２の上記ロータを回転駆動するようになっている。上記切換弁１２が回転駆動されて、上記第１蓄冷器１の基端部が、蓄冷器側通路１４を介して、高圧室１６と低圧室１８とに切り換え連通される。上記駆動モータ１３は高圧室１６内に収納されている。上記高圧室１６に連通する導入口１５は、圧力源としての圧縮機１９の吐出口に接続されており、上記低圧室１８に連通する排出口１７は圧縮機１９の吸入口に接続されている。つまり、上記切換弁１２が回転駆動されることにより、上記圧縮機１９の吐出口と吸入口が蓄冷器１の基端部に切り換え連通されて、この蓄冷器１に、流体としての作動ガスのパルス状の圧力変動を与えるようになっている。
【００２６】
また、上記第１パルス管３の基端部は、第１流路抵抗２０が介設された第１通路２１によって蓄冷器側通路１４に連通されている。更に、第１パルス管３の基端部は、第２流路抵抗２２が介設された第２通路２３によってバッファタンク２５に連通されている。
【００２７】
図２は、上記バルブ室７の端面近傍を示す図である。このバルブ室７は、バルブ室本体４１と、このバルブ室本体４１の内側に嵌合するバルブ室ブロック４２とで形成されている。上記バルブ室本体４１の内面と、上記バルブ室ブロック４２の外面との間に上記バッファタンク２５が形成されており、このバッファタンク２５に連通する第２通路の一部を構成する第１部分通路２３１が、上記バルブ室本体４１の内部に形成されている。
【００２８】
上記バルブ室ブロック４２の内部に、上記蓄冷器側通路１４と、この蓄冷器側通路１４に一端が連通された上記第１通路２１が形成されている。この第１通路２１に介設された第１流路抵抗２０よりも他端側の部分は、内径が一端側の部分よりも拡大された大径部２１１となっている。この大径部２１１は、バルブ室ブロック４２の端面に開口している。
【００２９】
また、上記バルブ室ブロック４２の内部には、上記バルブ室本体４１の第１部分通路２３１に連通する第２流路抵抗２２が設けられており、さらに、上記第２流路抵抗２２に連通する第２部分通路２３２が形成されている。上記バルブ室本体４１の第１部分通路２３１と、上記バルブ室ブロック４２の第２流路抵抗２２および第２部分通路２３２とで、第２通路２３を構成している。そして、上記第２部分通路２３２を、上記第１通路２１の大径部２１１の内側に配置している。この第２部分通路２３２は、概略円筒形をなし、第２流路抵抗２２側の端部にフランジを設けている。上記第２部分通路２３２は、上記第１通路２１の大径部２１１と略同軸に配置されていると共に、この大径部２１１の開口と同様に、上記バルブ室ブロック４２の端面に開口している。このバルブ室ブロック４２の端面において、上記第１通路２１の大径部２１１の開口と、上記第２通路２３の第２部分通路２３２の筒状部分の開口とを内側に含むように、上記第１パルス管３の基端部が取り付けられている。上記第１通路２１の大径部２１１と、この大径部２１１の内側に配置された第２通路２３の第２部分通路２３２とで、本発明の合流部を形成している。
【００３０】
なお、図１には図示しないが、第２パルス管４の基端部も同様に、流路抵抗が介設された第１および第２通路によって、蓄冷器側通路１４とバッファタンク２５とに各々連通している。
【００３１】
上記構成を有するパルス管冷凍機は、上記駆動モータ１３によって切換弁１２を回転して、第１蓄冷器１の基端部を高圧室１６と低圧室１８とに切り換え接続することによって、第１パルス管３内で作動ガスの圧縮と膨張とを繰り返す。これにより、上記第１パルス管３内で作動ガスを断熱膨張して冷熱を生成し、上記第１蓄冷器１の冷却ステージ２７および第１パルス管３の冷却ステージ２８を３０Ｋ〜８０Ｋ程度に冷却する。
【００３２】
さらに、本パルス管冷凍機の蓄冷器は２段に構成されているため、上記高圧室１６から第１蓄冷器１内に導入された高圧作動ガスは、第１蓄冷器１の先端から第２蓄冷器２の基端部に導入される。そして、第２蓄冷器２の蓄冷材１１と熱交換を行いつつ先端部に至り、連通管６を通って第２パルス管４の先端部に流入する。そうすると、既に第２パルス管４に存在している作動ガスが、新たに流入した作動ガスによって押されて基端側に移動し始める。
【００３３】
同時に、上記第２パルス管４の基端部に、図示しない第１通路を通って作動ガスが流入し、この第２パルス管４の先端部から流入する作動ガスが抑制される。その結果、作動ガスの移動のタイミングが第２パルス管４内における圧力変化のタイミングに対して遅れる。その後、第２パルス管４内の圧力がバッファタンク２５内の圧力よりも高くなって基端側の作動ガスが第２通路を通ってバッファタンク２５内に流入し、第２パルス管４内の作動ガスが基端側に移動する。
【００３４】
次に、上記第１蓄冷器１が低圧室１８に切り換え接続されると、上記第１蓄冷器１内の減圧に伴って第２蓄冷器２内の作動ガスが第１蓄冷器１に吸入され始める。そうすると、既に第２パルス管４に存在している作動ガスが、第２蓄冷器２に吸入され、第２パルス管４内の作動ガスが低温端側に移動し始める。同時に、上記第２パルス管４の基端側の作動ガスが、図示しない第１通路を通って流出し、この第２パルス管４の先端部から流出する作動ガスが抑制される。その後、バッファタンク２５内の作動ガスが第２通路を通って第２パルス管４内に戻ると共に、この第２パルス管４内の作動ガスが第２蓄冷器２の低温端側に流れ込み、蓄冷材１１を冷却して温度上昇しつつ高温端側に移動し、第１蓄冷器１および低圧室１８を介して圧縮機１９の吸入口に戻る。
【００３５】
こうして、上記第２パルス管４内において、第１パルス管３によって８０Ｋ程度に冷却された作動ガスの圧縮と膨張が繰り返され、その際における断熱膨張によって発生した冷熱によって、上記第２蓄冷器２の先端部３１に接続されて第２パルス管４の先端部に設けられた冷却ステージ３０が、４Ｋ程度に冷却される。
【００３６】
ここにおいて、本発明の合流部を形成する上記第１通路の大径部２１１と、上記第２通路の第２部分通路２３２は、略同軸に配置されているので、上記大径部２１１の開口から吐出される作動ガスと、上記第２部分通路２３２の開口から吐出される作動ガスとは、流線が略平行になる。したがって、上記第１通路２１からの作動ガスと、第２通路２３からの作動ガスとが合流する際、作動ガスの流れの乱れが従来よりも大幅に減少する。これにより、このパルス管冷凍機は、長期に亘って運転されて、上記流れの乱れのパターンが変化した場合においても、この変化によるガス圧力の変化量は、従来よりも少なくなる。したがって、上記合流部に流入する第１通路２１からの作動ガスの流量と、第２通路２３からの作動ガスの流量とは、従来よりも変化が少なくなる。その結果、上記第１パルス管３の基端部に流入する作動ガスの流量は、長期に亘って運転を行なっても殆ど変化しないので、この第１パルス管３で生成される作動ガスの圧力変動の位相と流体変位の位相との差を、安定して適正値に保つことができる。つまり、このパルス管冷凍機は、冷凍能力の低下を防止できて、良好な長期安定性が得られるのである。
【００３７】
また、上記合流部は、上記第１通路の大径部２１１の内側に、上記第２通路の第２部分通路２３２を同軸に配置することにより形成できる。したがって、第１通路の先端を第２通路に鋭角をなして接続する従来のパルス管冷凍機よりも、容易な加工で合流部を作製できる。その結果、パルス管冷凍機の製造コストを従来よりも削減できる。
【００３８】
上記実施形態において、上記第１通路の大径部２１１と、上記第２通路の第２部分通路２３２とは、同軸に配置しないで、略平行に配置するのみであってもよい。要は、第１通路２１からの作動ガスと、第２通路２３からの作動ガスとを、略平行の流れをなすように合流させることができればよい。
【００３９】
また、上記実施形態において、上記第１通路の大径部２１１の内側に、上記第２通路の第２部分通路２３２を配置したが、上記第２通路の内側に、上記第１通路の先端部分を配置してもよい。すなわち、上記第２通路２３のパルス管３側の端部の径を、バッファタンク２５側の部分の径よりも大きくして大径部を形成し、この第２通路の大径部の内側に、上記第１通路のパルス管３側の先端部分を配置してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態のパルス管冷凍機は、第１パルス管３と第２パルス管４を順次接続した２段型であるが、第２蓄冷器２および第２パルス管４を削除して、第１蓄冷器１と第１パルス管３のみを有する１段型のパルス管冷凍機であってもよい。あるいは、第２蓄冷器２に更なる蓄冷器を連通し、この蓄冷器の先端に更なるパルス管を接続して、３段以上のパルス管冷凍機を構成してもよい。
【００４１】
また、上記実施形態のパルス管冷凍機は、バッファタンク２５を１つ有したが、２つ以上の複数個のバッファタンクを並列に接続してもよい。例えば、図３の概略図に示すように、第１通路２１からの作動ガスと、３個のバッファタンク２５，２５，２５に各々接続された第２通路２３，２３，２３からの作動ガスとを合流させる合流部Ａを形成する。なお、図３は、蓄冷器１およびパルス管３を１個づつ備える一段型のパルス管冷凍機を示しており、図１と同一の部分に同一の参照番号を付している。図４（ａ）は、図３の合流部Ａを詳細に示す部分断面図であり、図４（ｂ）は、合流部Ａをパルス管３側から見た平面図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）のＢ−Ｂ’線における断面を示している。図４（ａ），（ｂ）に示すように、バルブ室ブロック４２の端面近傍に、第１通路の径大部２１１を形成し、この径大部２１１の内側に、３個のバッファタンク２５，２５，２５に各々接続された第２通路の第２部分通路２３２を３個配置する。図４（ａ）に示すように、上記大径部２１１と、上記３個の第２部分通路２３２とは、互いに平行に配置する。また、図４（ｂ）に示すように、平面において大径部２１１の略中央に、３個の第２部分通路２３２を配置する。これにより、上記第１通路の大径部２１１からの作動ガスと、上記３個の第２通路の第２部分通路２３２からの作動ガスとを、殆ど乱れを生じることなく合流させて、パルス管３の基端部に流入させることができる。したがって、３個のバッファタンク２５，２５，２５により高精度に設定された作動ガスの圧力変動と流体変位との位相差を、長期に亘って良好に保持することができるので、良好な冷凍能力を長期に亘って維持できるパルス管冷凍機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態のパルス管冷凍機を示す図である。
【図２】バルブ室の端面近傍を示す図である。
【図３】バッファタンクを３個備えたパルス管冷凍機を示す概略図である。
【図４】図４（ａ）は、図３の合流部Ａを詳細に示す部分断面図であり、図４（ｂ）は、合流部Ａをパルス管３側から見た平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  第１蓄冷器
２  第２蓄冷器
３  第１パルス管
４  第２パルス管
５  連通管
６  連通管
７  バルブ室
８  フランジ
９  モータ室
１０  蓄冷材
１１  蓄冷材
１２  切換弁
１３  駆動モータ
１４  蓄冷器側通路
１５  導入口
１６  高圧室
１７  排出口
１８  低圧室
１９  圧縮機
２０  第１流路抵抗
２１  第１流路
２２  第２流路抵抗
２３  第２通路
２５  バッファタンク
２７  第１蓄冷器の冷却ステージ
２８  第１パルス管の冷却ステージ
３０  第２パルス管の冷却ステージ
３１  第２蓄冷器の先端部
３２  第１パルス管シリンダ
３３  第２パルス管シリンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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